共源共柵和 E 模式 GaNFET 的演變和可靠性

　　共源共柵 GaN 的結(jié)構(gòu)如圖 1 (a) 所示，在共源共柵配置中結(jié)合了低壓常關(guān)硅 MOSFET 和高壓常開 GaN HEMT。該組合有效地產(chǎn)生了增強(qiáng)模式行為，并且該技術(shù)自 2010 年代初期以來已投入商業(yè)應(yīng)用。與原生 GaN 解決方案相比，硅 MOSFET 的公共柵極閾值電壓為 4V，簡(jiǎn)化了柵極驅(qū)動(dòng)要求，因?yàn)檫@些共源共柵 GaN 通?？梢允褂脴?biāo)準(zhǔn)硅柵極驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。此外，硅 MOSFET 的混合特性可以提高可靠性。可以利用硅的已知特性和行為來保護(hù) GaN HEMT 更敏感的柵極，從而降低因高電壓尖峰或不正確的柵極電壓而導(dǎo)致故障的風(fēng)險(xiǎn)。

　　圖 1. (a) 共源共柵 GaN 和 (b) E 模式 P 柵極 GaN HEMT 之間的原理圖比較。圖片由博多電力系統(tǒng)提供 [PDF]
　　然而，GaN HEMT 柵極和源極之間額外的硅 MOSFET 將大大增加 Cascode GaN 器件的有效輸入電容，這很大程度上犧牲了快速開關(guān)特性，而這是與 SiC MOSFET 相比突出的優(yōu)勢(shì)之一。更糟糕的是，硅 MOSFET 和 D 型 GaN 串聯(lián)進(jìn)行共封裝會(huì)產(chǎn)生額外的寄生電感，從而導(dǎo)致開關(guān)波形出現(xiàn)更多振鈴和過沖，影響整體性能并引發(fā)電磁干擾 (EMI) 問題。
　　E 模式 GaNFET，如圖 1 (b) 所示，使用 p 型 GaN 柵極結(jié)構(gòu)來提供正閾值電壓，使該器件在單芯片解決方案中固有地常關(guān)。這對(duì)于需要故障安全操作的電力應(yīng)用至關(guān)重要。 E 模式 GaNFET 通常表現(xiàn)出非常低的柵極電荷和電容，無需任何額外組件，從而實(shí)現(xiàn)更快的開關(guān)速度并降低開關(guān)損耗。它們?cè)谛枰哳l操作的應(yīng)用中非常高效。
　　然而，p型GaN柵極提供了1.4V的典型較低柵極閾值電壓，這會(huì)由于噪聲或柵極電壓波動(dòng)而導(dǎo)致器件意外開啟和系統(tǒng)故障。此外，典型的驅(qū)動(dòng)范圍為-10 V至7 V，與大多數(shù)其他功率器件的驅(qū)動(dòng)電壓不兼容，后者需要12-18 V，因此很難從其他功率開關(guān)切換到GaN HEMT。，由于p型GaN柵極還不太成熟并且更容易受到攻擊，因此人們對(duì)其長(zhǎng)期可靠性和閾值電壓穩(wěn)定性存在擔(dān)憂。
　　全GaN-IC解決方案：柵極閾值電壓和驅(qū)動(dòng)范圍的飛躍
　　GaNPower International 創(chuàng)新了一種全 GaN-IC 方法，可將柵極閾值電壓從 1.4 V 提升至令人印象深刻的 3.5-4.0 V，驅(qū)動(dòng)范圍高達(dá) ±20 V。專有的基于 GaN 的柵極調(diào)節(jié)電路已單片化與功率 GaNFET 集成在單個(gè)芯片中。如圖 2 (a) 所示，這項(xiàng)創(chuàng)新使新型 E 模式 GaN 與硅和 SiC MOSFET 的引腳排列、閾值電壓、驅(qū)動(dòng)范圍保持一致，因此贏得了“引腳對(duì)引腳”(P2P) 的昵稱。其卓越的兼容性。 P2P技術(shù)結(jié)合了Cascode GaN和E-mode GaN的優(yōu)點(diǎn)。它旨在實(shí)現(xiàn)更可靠的柵極驅(qū)動(dòng)，同時(shí)又不會(huì)大幅損害 GaN 功率開關(guān)的快速開關(guān)優(yōu)勢(shì)。

　　根據(jù)圖 2（b）所示的 LTSpice 仿真結(jié)果，P2P GaN 開關(guān)的柵極閾值電壓已提高至 4 V 左右，并且其柵極電壓已被 All-GaN-IC 適當(dāng)鉗位在 7 V 以下，0 -20V 脈寬調(diào)制輸入。

　　圖 2.  (a) 框圖和 (b) 與主 E 模式 p 柵極 GaNFET 單片集成的柵極調(diào)節(jié)器電路的模擬驗(yàn)證。圖片由博多電力系統(tǒng)提供 [PDF]

　　圖 3 所示的室溫實(shí)驗(yàn)靜態(tài) IdVg 測(cè)量結(jié)果也驗(yàn)證了與不帶基于 GaN 的柵極調(diào)節(jié)電路的普通 E 模式 GaN 相比，P2P GaN 的柵極閾值電壓 (3.6 V) 的增強(qiáng)。

　　圖 3.  650V 30A E 模式 GaN HEMT 之間的 Ids-Vgs 測(cè)量比較（a）不帶單片集成柵極穩(wěn)壓器電路和（b）帶單片集成柵極穩(wěn)壓器電路（即 P2P 技術(shù)）。圖片由博多電力系統(tǒng)提供 [PDF]
　　展示卓越的開關(guān)性能
　　為 P2P GaN 的突發(fā)模式開關(guān)評(píng)估構(gòu)建了雙脈沖測(cè)試平臺(tái)，該平臺(tái)具有定制的空芯 128 μH 負(fù)載電感、續(xù)流 SiC 二極管和可靠的電壓鉗位電路，可用于的動(dòng)態(tài) Rdson 測(cè)量。
　　在 12 V PWM 輸入和 900 V 總線電壓的情況下，所有開關(guān)波形（Vgs、Vds 和 Ids）（如圖 4 所示）都很干凈，沒有明顯的振鈴或過沖。此外，動(dòng)態(tài) Rdson 也在室溫下高達(dá) 33 A（其額定電流）漏極電流的合理范圍內(nèi)，這可以從鉗位的 Vds 波形中觀察到。另一項(xiàng)在 125°C 下類似負(fù)載條件下進(jìn)行的雙脈沖測(cè)試顯示了類似的開關(guān)波形，證明了基于 GaN 的柵極調(diào)節(jié)電路具有良好的熱穩(wěn)定性。

　　構(gòu)建了具有高飽和環(huán)形功率電感器和恒定 40 歐姆高功率電阻負(fù)載的 100 KHz 半橋降壓測(cè)試平臺(tái)，用于 P2P GaN 的連續(xù)硬開關(guān)評(píng)估。主測(cè)試板上安裝了兩臺(tái)帶有合適散熱器的GP65R45T4器件，測(cè)試過程中采用了適當(dāng)?shù)娘L(fēng)扇冷卻。

　　圖 4.  33 A 漏極電流和 900 V 總線電壓下的雙脈沖測(cè)試 (DPT) 結(jié)果表明，在 (a) 25°C 和 (b) 125°C 下均具有良好的開關(guān)性能。圖片由博多電力系統(tǒng)提供 [PDF]

　　根據(jù)圖 5 (a) 所示的效率，在 12 V PWM 輸入和 200-550 V 總線電壓下，基于 P2P GaN 的降壓轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)了 97.42% 的峰值效率和 3.7 kW 的功率輸出。圖 5 (b) 展示了良好的連續(xù)開關(guān)波形，在 450 V 總線電壓的峰值效率下沒有明顯的振鈴和過沖。

　　圖 5. 風(fēng)冷半橋降壓轉(zhuǎn)換器的 (a) 開關(guān)效率和 (b) 開關(guān)波形，其中兩個(gè) GaNPower P2P GaN HEMT (GP65R45T4) 正在進(jìn)行連續(xù)硬開關(guān)測(cè)試。圖片由博多電力系統(tǒng)提供 [PDF]